[논문]MR 유체 제트 연마를 이용한 광학유리의 가공성능

김원우; 김욱배

MR 유체 제트 연마를 이용한 광학유리의 가공성능
Machining Performance of Optical Glass with Magnetorheological Fluid Jet Polishing 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.28 no.8, 2011년, pp.929 - 935

김원우 (한국산업기술대학교 기계설계공학과) , 김욱배 (한국산업기술대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

As a deterministic finishing process for the optical parts having complex surface, machining performance of the magnetorheological(MR) fluid jet polishing of optical glass are studied and compared with a general water jet polishing. First, design of the jet polishing system which has the special electromagnet-nozzle unit for stabilizing the slurry jet based on MR fluid and the change of jet shape as magnetic field is applied are explained. Second, for the BK7 glass, machining spot and its cross section profile are analyzed and the unique effect of MR fluid jet polishing is shown. Third, both material removal depth and surface roughness are explored in order to investigate the polishing performance of MR fluid jet. With the same ceria abrasives and amount in the polishing slurries, MR fluid jet shows superior machining performance compared to water jet and the difference of material removal mechanism and its resulting performance are described.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 MR-Jet 에 관하여 연마 공정으로서 재료제거율 및 표면 거칠기의 주요 성능이 정량적으로 보고된 바는 없다. 본 논문에서는 MR 유체에 의한 제트 연마법을 구현하고, 광학유리에 대한 가공흔적 (machining spot)을분석하여 시간당 재료제거 깊이와 표면거칠기를확인하고자 한다. 이때 유사한 가공기구를 갖는 FJP 를 적용하여 양자간의 성능을 비 교하였다.
본 연구에서는 초정밀 광학소자 제조공정에 적용 가능한 MR 유체 제트 연마 장치를 구현하여 그 제트 분사특성을 확인하고, BK7 유리에 대해 가공시험을 실시하여 본 방법에서 나타나는 고유의 가공 흔적, 재료제거 깊이 및 표면거칠기를 분석하였다.

가설 설정

아울러 FJP 의 성능과 비 교하기 위해 DI water 에 ceria 를 MR 유체에서와 같은 함량비로 슬러리를 조성하여 재료 제거 깊이를 측정하였다. 노즐-시편 거리는 30㎜ 로고 정하였다. MR 유체 제트 연마법은 그래프에 나타난 대로 최대 7μm/min 의 속도가 가능하였으며, 제트 속도와 재료제거 속도의 관계는 속도의 제곱 승에 비례하지만 20m/sec 이상에서는 다소 선형성을 보인다.

제안 방법

2 절에서 기술한 연마장치와 슬러리를 이용하여 가공실험을 행하였다. 피가공소재로서는 렌즈류 등 광학부품 제작 및 시험에 주로 사용되는 붕규산 유리 BK7(flat type, f50㎜)을 사용하였다.
MR 유체 제트 연마에서 주요 가공성능인 재료 제거율을 일정시간 동안의 제거 깊이를 통해 알아보았다. Fig.
84GPa 이다. 가공표면의 형상측정은 광 간섭계(New View 6300, Zygo)와 1 배의 대물렌즈를 장착하여 실시하였다.
동시에 MR 유체를 사용하지 않고 물과 ceria 연마재만을 이용하여 나타나는 표면거칠기와 비교하였다.
또 다른 중요 성능지표인 표면거칠기를 평가하기 위해 BK7 유리 평면(초기 Rms 2nm, Ra Inm)을인위적으로 거칠게 만들고 MR 유체제트로 연마한 후 고배율 간섭계로 표면거칠기를 확인하였다. 동시에 MR 유체를 사용하지 않고 물과 ceria 연마재만을 이용하여 나타나는 표면거칠기와 비교하였다.
6 은 ceria 연마재를 함유한 MR 유체를 BK7 에 분사할 때, 속도에 따른 가공량을 간섭계로 측정하고 최대 가공 깊이를 기준으로하여 분당재료 제거 깊이를 나타낸 것이다. 아울러 FJP 의 성능과 비 교하기 위해 DI water 에 ceria 를 MR 유체에서와 같은 함량비로 슬러리를 조성하여 재료 제거 깊이를 측정하였다. 노즐-시편 거리는 30㎜ 로고 정하였다.
1과 Table 1에 실험을 위한 장치의 개요와 사양을 나타내었다. 연마장치는 FJP 의 장치와 유사하며, 수십 bar 이내의 압력을 구현할 수 있는 펌프를 구비하고 노즐을 통해 분사된 슬러리를 수거-교반-순환시키는 구조로 설계, 제작하였다. 단, MR 유체가 노즐에서 분사될 때 자기장을 인가하기 위하여 노즐은 동심원의 실린더 형태를 지 닌전자석의 중심부에 삽입하였다.
본 논문에서는 MR 유체에 의한 제트 연마법을 구현하고, 광학유리에 대한 가공흔적 (machining spot)을분석하여 시간당 재료제거 깊이와 표면거칠기를확인하고자 한다. 이때 유사한 가공기구를 갖는 FJP 를 적용하여 양자간의 성능을 비 교하였다.
단, MR 유체가 노즐에서 분사될 때 자기장을 인가하기 위하여 노즐은 동심원의 실린더 형태를 지 닌전자석의 중심부에 삽입하였다. 전자석의 외곽은 강(steel)재를 이용하여 자기차폐하였으며, 노즐은 끝 단에 자기장이 집중될 수 있도록 역시 강재를 이용하여 제작하였다. 연마슬러리로서 MR 유체와 Ceria (CeO, 를 섞어서 사용하였다.

대상 데이터

3g/cm³ 이다. MR 유체 95vol%, ceri"평 균입 경 L8μm)를 5vol%의 비 율로 섞어서 실험에 사용하였고, 비교실험을 위해서 물과 연마재만 사용할 때에는 DI water 95vol%, ceria 5vol% 의 비율로 슬러리를 조성하였다.
전자석의 외곽은 강(steel)재를 이용하여 자기차폐하였으며, 노즐은 끝 단에 자기장이 집중될 수 있도록 역시 강재를 이용하여 제작하였다. 연마슬러리로서 MR 유체와 Ceria (CeO, 를 섞어서 사용하였다. MR 유체는 Carbonyl iron powder(평균입 경 4gm) 40vol%가 함유된 것으로 유체 밀도는 3.
가공실험을 행하였다. 피가공소재로서는 렌즈류 등 광학부품 제작 및 시험에 주로 사용되는 붕규산 유리 BK7(flat type, f50㎜)을 사용하였다. BK7 유리의 밀도는 2.

성능/효과

연구결과 MR 유체 제트 연마는 lOjim/min 에 가까운 재료제거율과 Ra Inm 안팎의 표면거칠기를동시에 구현할 수 있다고 판단된다. 이는 마무리 공정으로서 타 연마법과 비교할 때, 그 성능이 우수하다.
표면 거칠기는 Rp-v 기준으로는 1/10 수준으로 크게 저감되었고 Rms 35nm, Ra 27nm 로 측정되었다. 이어서 제트 속도를 35m/s 로 올려 다시 3 분간 가공한 결과 Fig. 7(c)와 같이 기존 스크래치가 완전히 제거되고 피트(pit) 등 결함의 발생이 없이 Rms2nm, Ra Inm 의 표면을 얻을 수 있었다.
이는 노즐에서 분사되는 MR 유체에 자기장을 인가함으로써 분사 제트의 정형성과 안정성을 구현하고, 표면 충돌 후에 이상적인 방사형 흐름을 통해 표면에 일정한 가공패턴, 즉 공구함수를 얻을 수 있기 때문이다. 자기장을 인가하여 MR 유체를 BK7 유리에 수직 분사하였을 때, 뚜렷한 원형의 가공 흔적을 구현할 수 있었으며 재료제거 단면의 형상 균일도가 매우 높다. 두께 방향의 단면 형상은 제트의 직경보다 넓은 W 자를 나타내며, 그 가공 깊이는 제트 속도에 의해 제어할 수 있다.

후속연구

공구자체의 마모가 없고, 저압의 제트를 이용하기 때문에 노즐의 마모도 거의 없으므로 향후 광학부품을 비롯한 초정밀 부품의 제조에서 사상공정으로서 경면화 및 형상보정 등에 적용될 수 있을 것이다.
또한 피트의 발생이 없이 높은 표면품위를 보여주고 있다. 다만 미사적 관점에서 재료 제거 메커니즘은 재료의 물성 등을 고려하여 추가적인 연구가 필요하다.
본 실험을 통해 MR 유체 제트 연마는 결정론적 연마법으로서의 효용성이 높을 것으로 기대된다. 이는 노즐에서 분사되는 MR 유체에 자기장을 인가함으로써 분사 제트의 정형성과 안정성을 구현하고, 표면 충돌 후에 이상적인 방사형 흐름을 통해 표면에 일정한 가공패턴, 즉 공구함수를 얻을 수 있기 때문이다.

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